(57)【要約】【課題】  ＭＲ比が高く、交換結合磁場Ｈｅｘ及びカップリング磁場Ｈｕａが高い磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】  磁気抵抗効果素子の製造方法は、（ａ）基板２の上方にバッファー層３を成膜する工程と、（ｂ）バッファー層３上に反強磁性層４を成膜する工程と、（ｃ）反強磁性層４上に固定層５を成膜する工程と、（ｄ）固定層５上にトンネルバリヤ層６に用いる金属膜９を形成し、金属膜９を酸化してトンネルバリヤ層６を形成する工程と、（ｅ）トンネルバリヤ層６上にフリー層７を成膜する工程とを具備する。固定層５における第１成膜前酸素分圧及びフリー層７における第２成膜前酸素分圧の少なくとも一方は、バッファー層３の第３成膜前酸素分圧よりも低い。【選択図】      図１
2006245146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基板の上方にバッファー層を成膜する工程と、
（ｂ）前記バッファー層上に反強磁性層を成膜する工程と、
（ｃ）前記反強磁性層上に固定層を成膜する工程と、
（ｄ）前記固定層上にトンネルバリヤ層に用いる金属膜を形成し、前記金属膜を酸化して前記トンネルバリヤ層を形成する工程と、
（ｅ）前記トンネルバリヤ層上にフリー層を成膜する工程と
を具備し、
前記固定層における第１成膜前酸素分圧及び前記フリー層における第２成膜前酸素分圧の少なくとも一方は、前記バッファー層の第３成膜前酸素分圧よりも低い
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記第１成膜前酸素分圧及び前記第２成膜前酸素分圧の少なくとも一方は、圧力範囲が０．２×１０−６Ｐａ以上０．２×１０−５Ｐａ以下であり、前記第３成膜前酸素分圧は、圧力範囲が０より大きく１．６×１０−７Ｐａ以下である
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
（ａ）基板の上方にバッファー層を成膜する工程と、
（ｂ）前記バッファー層上に反強磁性層を成膜する工程と、
（ｃ）前記反強磁性層上に固定層を成膜する工程と、
（ｄ）前記固定層上にトンネルバリヤ層に用いる金属膜を形成し、前記金属膜を酸化して前記トンネルバリヤ層を形成する工程と、
（ｅ）前記トンネルバリヤ層上にフリー層を成膜する工程と
を具備し、
前記固定層における第１成膜前酸素分圧及び前記フリー層における第２成膜前酸素分圧の少なくとも一方は、前記金属膜の第４成膜前酸素分圧よりも低い
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記第１成膜前酸素分圧及び前記第２成膜前酸素分圧の少なくとも一方は、圧力範囲が０．２×１０−６Ｐａ以上０．２×１０−５Ｐａ以下であり、前記第４成膜前酸素分圧は、圧力範囲が０より大きく１．６×１０−６Ｐａ以下である
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１又は３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記（ａ）工程から前記（ｅ）工程における上記基板は大気中に曝露されない
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１又は３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記（ａ）工程から前記（ｅ）工程における成膜は、スパッタリング法により行われる
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１又は３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記（ｂ）工程は、
（ｂ１）前記バッファー層上にＭｎを含む合金を成膜する工程を備える
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１又は３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記（ｃ）工程は、
（ｃ１）前記反強磁性層上にＦｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちのいずれかを含む磁性単金属膜若しくは磁性合金膜を成膜する工程、又は、（ｃ２）Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちのいずれかを含む磁性単金属膜若しくは磁性合金膜／非磁性膜／Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちのいずれかを含む磁性単金属膜若しくは磁性合金膜の三層構造を成膜する工程、のいずれかを備える
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１又は３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記（ｄ）工程は、
（ｄ１）前記固定層上にＡｌ膜を形成し、前記Ａｌ膜を酸化して酸化アルミニウム膜を形成する工程を備える
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１又は３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記（ｅ）工程は、
（ｅ１）前記トンネルバリヤ層上にＦｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちのいずれかを含む磁性金属膜を成膜する工程を備える
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１１】
（ｆ）請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法を実行して、基板としての半導体基板上に行列状に配列された複数の磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
（ｇ）前記半導体基板上に周辺回路を形成する工程と
を具備する
ＭＲＡＭの製造方法。
【請求項１２】
（ｈ）請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法を実行して、磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
（ｉ）前記磁気抵抗効果素子を磁気ヘッド本体に搭載する工程と
を具備する
磁気ヘッドの製造方法。
【請求項１３】
（ｊ）請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法を実行して、磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
（ｋ）前記磁気抵抗効果素子を磁気センサ本体に搭載する工程と
を具備する
磁気センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気抵抗効果素子の製造方法に関し、特に磁気的及び電気的特性を改善した磁気抵抗効果素子、及び磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、再生用磁気ヘッド、磁気センサーには磁場を感知することで抵抗が変化する磁気抵抗効果素子が用いられている。磁気抵抗効果素子としては、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子やＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子に例示される。特に、ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子よりも室温での磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が大きいことから、ＭＲＡＭや再生用磁気ヘッドに用いる磁気抵抗効果素子としてその性能の向上が期待されている。
【０００３】
ＴＭＲ素子は、二つの強磁性体層の間に数オングストロームから数ｎｍという極薄のトンネルバリア層を挟んだ構造を持つ。ＴＭＲ素子は、下部の強磁性体層と上部の強磁性体層の磁化の相対角が小さいときはトンネル確率が高く、大きいときにはトンネル確率が低いことから磁気抵抗効果が現れる。図１は、従来のＴＭＲ素子の構造の一例を示す断面図である。ＴＭＲ素子１０１は、基板１０２、バッファー層１０３、反強磁性体層１０４、固定層１０５、トンネルバリア層１０６、フリー層１０７、キャップ層１０８を具備する。
【０００４】
トンネルバリア層１０６は、一般にアルミニウム（Ａｌ）のような金属を酸化することで得られる。Ａｌのような金属の酸化方法としては、プラズマ酸化法、ラジカル酸化法が例示される。Ａｌのような金属を過不足なく酸化させたトンネルバリア層１０６を用いる場合、ＴＭＲ素子のＭＲ比が最も高くなる。酸化が足りずに未酸化な金属が残っている、又は、酸化が行き過ぎて強磁性体層まで酸化してしまっているトンネルバリア層１０６を用いる場合、ＴＭＲ素子のＭＲ比は低くなる。このような事実は、例えば、“Ｏｐｔｉｍｕｍ  ｔｕｎｎｅｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｉｎ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｆｅｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”，Ｊ．Ｓ．Ｍｏｏｄｅｒａ，ｅｔ  ａｌ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７０，ｐ．３０５０−３０５２，１９９７（非特許文献１）に開示されている。
【０００５】
反強磁性体層１０４は、例えば、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎのようなＭｎを含む合金を備える。固定層１０５は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちいずれかを含む磁性単金属又は磁性合金層、若しくは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちいずれかを含む磁性単金属又は磁性合金層／非金属層／Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちいずれかを含む磁性単金属又は磁性合金層という三層構造（積層フェリ構造）を備える。フリー層１０７は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちいずれかを含む磁性金属層を備える。
【０００６】
反強磁性体層１０４と固定層１０５とによりトンネルバリア層１０６に接する強磁性体層のうち一方を固定するのは、外部擾乱磁場や熱擾乱の影響を排除するためである。この固定層１０５をも反転する磁場を交換結合磁場Ｈｅｘという。この交換結合磁場Ｈｅｘが大きいほど外部擾乱磁場や熱擾乱の影響を受け難くなる。
【０００７】
一方、フリー層１０７が反転する磁場を調節するために積層フェリ構造を用いる場合、積層フェリ構造における非磁性層を挟んだ両磁性層間のカップリング磁場Ｈｕａが問題になる。この構造ではカップリング磁場Ｈｕａが大きいほど外部擾乱磁場や熱擾乱の影響を受け難くなる。
【０００８】
バッファー層１０３は、反強磁性体層１０４の結晶性を制御して高い交換結合磁場Ｈｅｘ、及び高いカップリング磁場Ｈｕａを得るために基板１０２と反強磁性体層１０４との間に挿入される。バッファー層１０３としては，ＮｉＦｅ／Ｔａが例示される。キャップ層１０８は、保護膜として用いられる。キャップ層１０８としては、Ｔａが例示される。バッファー層１０３やキャップ層１０８については、例えば、“Ｄｉｒｅｃｔ  ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｂａｒｒｉｅｒ  ａｓｙｍｍｅｔｒｙ  ｉｎ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ”，Ｐ．Ｈ．Ｐ．Ｋｏｌｌｅｒ，ｅｔ  ａｌ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８４，ｐ．４９２９−４９３１，２００４（非特許文献２）に開示されている。
【０００９】
ＴＭＲ素子１０１の製造では、一般にＴＭＲ素子１０１の各層の成膜とトンネルバリア層１０６の酸化が連続的に行われる。その際、各層を途中で大気に曝すことなく真空中で製造可能な真空成膜装置を用いる。成膜手法としてはスパッタリングが一般的である。例えば、アネルバ株式会社製Ｃ−７１００は、ＴＭＲ膜製造可能なスパッタ成膜装置であり、成膜室は１０−９Ｔｏｒｒ台の真空度に引くことが可能である（Ｃ−７１００  ＭＲＡＭ／ＨＥＡＤ  Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｃａｔａｌｏｇｕｅ，ＡＮＥＬＶＡ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（非特許文献３））。また、株式会社アルバック社製のＭａｇｅｓｔ  Ｓ２００も、スパッタリングターゲット３基を有する複数の成膜室を持つスパッタリング成膜装置で、成膜室は大気解放後６時間で１０−７Ｐａ台の真空度に引くことが可能である（ＭＡＧＥＳＴ  Ｓ２００  Ｃａｔａｌｏｇｕｅ，ＵＬＶＡＣ  Ｉｎｃ．（非特許文献４））。
【００１０】
これらの成膜装置において、ＴＭＲ素子１０１の各層のスパッタ成膜時には、ある程度成膜室の真空度を高めた後にＡｒ等のガスを導入し、導入ガスのプラズマを立ててターゲットをスパッタするというような過程が一般的である。各層の成膜前真空度をあえて異なるようにしたり、成膜前にあえて真空度を低くするためにスローリーク等をしたりといったことは行われていなかった。
【００１１】
関連する技術として再公表００／６５６１４号公報に磁気抵抗効果膜の製造方法が開示されている。この技術は、所定の基体上に、自由磁化層、非磁性体層、固定磁化層及び反強磁性体層を順に又は逆に積層する磁気抵抗効果膜の製造方法である。最初に、成膜室内に前記基体を配して、該成膜室内の到達真空度を１０−１０Ｔｏｒｒ台以下とする。その後、該成膜室内に少なくとも酸素を含むガスａを導入し、該成膜室内の真空度を３×１０−９Ｔｏｒｒ以上１×１０−８Ｔｏｒｒ以下の一定圧力に変更する。次に、Ａｒからなるガスｂを導入し、前記ガスａと前記ガスｂの混合ガスを用いて、所定のターゲットをスパッタリングすることにより、非磁性体層の下に位置する自由磁化層又は固定磁化層と非磁性体層とを形成する。
すなわち、所定の到達真空度に達した後、自由磁化層と非磁性体層とを連続して形成する。従って、到達真空度は自由磁化層と非磁性体層とで同一である。固定磁化層と非磁性体層とを連続して形成する場合も同様である。
【００１２】
また、同じ再公表００／６５６１４号公報の磁気抵抗効果膜の製造方法は、前記自由磁化層上に前記非磁性体層が積層される場合は該自由磁化層を形成後に、又は、前記固定磁化層上に前記非磁性体層が積層される場合は該固定磁化層を形成後に、成膜室内に少なくとも酸素を含むガスａを導入し、該非磁性体層の下に位置する該自由磁化層又は該固定磁化層の表面の暴露量が６Ｌ以上２０Ｌ以下、但し１Ｌ（ラングミュラー）＝１×１０−６Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ、となるように、該自由磁化層又は該固定磁化層の表面を所定圧力の酸素雰囲気に所定の時間暴露する工程、及び、 前記暴露後の成膜室内に、前記ガスａに代えてＡｒからなるガスｂを導入し、前記ガスｂを用いて、所定のターゲットをスパッタリングすることにより、前記暴露後の前記自由磁化層又は前記固定磁化層の表面上に前記非磁性体層を形成する工程、を少なくとも有する。
すなわち、該非磁性体層の下に位置する層（固定磁性層又は自由磁性層）を形成した後に、その層の表面を酸素を含むガスａに暴露する。
【００１３】
特開２００４−１１９９０３号公報に磁気抵抗効果素子及びその製造方法が開示されている。この磁気抵抗効果素子製造方法は、（Ａ）真空容器の中で、反強磁性層を基板の上面側に形成する工程と、（Ｂ）前記反強磁性層の形成の後、前記真空容器に酸化性ガスを導入する工程と、（Ｃ）前記真空容器から前記酸化性ガスを排気する工程と、（Ｄ）前記酸化性ガスの排気の後、前記反強磁性層の上に，固定強磁性層を形成する工程と、（Ｅ）前記第１強磁性層の上に、トンネルバリア層を形成する工程と、（Ｆ）前記トンネルバリア層の上に、第２強磁性層を形成する工程とを含む。上記（Ｂ）工程での酸素分圧は、０より大きく１×１０−４Ｐａ以下である。
この場合、（Ｂ）工程で酸化性ガスを導入しているが、これは反強磁性層の表面に酸素を吸着させ、その上に成膜される固定強磁性層の膜質を変えるためと記載されている。従って、（Ｃ）工程で酸化性ガスを排出するときは高真空に排気すると記載されている。
【００１４】
また、同じ特開２００４−１１９９０３号公報に磁気抵抗効果素子及の製造方法は、（Ｇ）反強磁性層を基板の上面側に形成する工程と、（Ｈ）酸化性ガスを含む雰囲気で、前記反強磁性層の上に固定強磁性層を形成する工程と、（Ｉ）前記固定強磁性層の上に、トンネルバリア層を形成する工程と、（Ｊ）前記トンネルバリア層の上に、自由強磁性層を形成する工程とを含む。（Ｈ）工程の間の前記酸化性ガスの分圧は、形成された前記第１強磁性層が導電性を有するように定められ、例えば、０より大きく、５×１０−５Ｐａよりも小さい。
この場合、固定強磁性層の成膜時に雰囲気中の酸化性ガスの分圧を所定の値にしているが、これは雰囲気中の酸素が固定強磁性層に取り込まれることで、固定強磁性層の膜質を変えるためと記載されている。
【００１５】
特開２００２−３１４１６６号公報に磁気抵抗効果素子及びその製造方法が開示されている。この技術は、基板側の第１の強磁性体層と、該第１の強磁性体層上の絶縁層と、該絶縁層上の第２の強磁性体層からなる強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子の製造方法である。前記第１の強磁性体層上に金属または半導体を堆積する工程と、前記金属または前記半導体を基底状態にある酸素と反応させることで、金属の酸化物または半導体の酸化物からなる酸化物層を作製する工程と、前記酸化物層を励起状態にある酸素と反応させることで、前記絶縁層を作製する工程と、前記絶縁層上に前記第２の強磁性体層を作製する工程を有する。各層は、１×１０−５Ｐａ以下のバックグラウンド圧力のもとで形成されている。
【００１６】
特開２００３−２５８３３５号公報にトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法が開示されている。この技術は、基板上に、第１の強磁性層、トンネル絶縁層、第２の強磁性層がこの順に積層され、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層の磁化方向の相対角度の違いによりトンネル磁気抵抗が異なるトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法である。前記トンネル絶縁層前駆体である導電層を形成する第１の工程と、前記導電層を酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程を含み、前記第１の工程において、前記導電層は０．４Å／秒以下の成膜速度でＡｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔａの少なくとも１種から形成されることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。トンネル磁気抵抗効果素子は、到達真空度が１×１０−８Ｔｏｒｒ以下の成膜チャンバーで成膜される。
【００１７】
特開２００１−８４５３２号公報に磁気抵抗効果素子の製造方法が開示されている。この技術は、２層の強磁性層の間に誘電体層を設けた構造を有する強磁性一重トンネル接合、または３層の強磁性層の各層間に誘電体層を設けた構造を有する強磁性二重トンネル接合を含む磁気抵抗効果素子を製造する。強磁性層上に誘電体膜を形成する工程と、酸素または窒素を含有するガスを導入して誘電体膜を酸化または窒化するか、前記ガスを導入した後にグロー放電させてプラズマ中で誘電体膜を酸化または窒化する工程とを具備している。
【００１８】
特開２００３−３２４２２５号公報に積層フェリ型磁性薄膜並びにそれを使用した磁気抵抗効果素子及び強磁性トンネル素子が開示されている。この積層フェリ型磁性薄膜は、第１強磁性層、第２強磁性層、及びそれらの中間に配置されて双方に接する非磁性中間層を有し、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層が前記非磁性中間層を介して反強磁性的に磁気結合する。前記第１強磁性層が、少なくとも１層以上の層よりなる第１主強磁性層と、前記第１主強磁性層と前記非磁性中間層の中間に配置されて双方に接する第１界面強磁性層とからなる。前記第２強磁性層が、少なくとも１層以上の層よりなる第２主強磁性層と、前記第２主強磁性層と前記非磁性中間層の中間に配置されて双方に接する第２界面強磁性層とからなる。前記第１界面強磁性層及び前記第２界面強磁性層がＣｏ又はＣｏ合金により形成される。前記第１主強磁性層のうちの少なくとも１層及び前記第２主強磁性層のうちの少なくとも１層が前記第１界面強磁性層及び前記第２界面強磁性層より保磁力が小さい軟磁性膜により形成される。前記第１主強磁性層のうちの軟磁性膜よりなる層の合計膜厚が前記第１強磁性層の膜厚の６０％以上である。前記第２主強磁性層のうちの軟磁性膜よりなる層の合計膜厚が前記第２強磁性層の膜厚の６０％以上である。  
【００１９】
【非特許文献１】“Ｏｐｔｉｍｕｍ  ｔｕｎｎｅｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｉｎ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｆｅｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”，Ｊ．Ｓ．Ｍｏｏｄｅｒａ，ｅｔ  ａｌ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７０，ｐ．３０５０−３０５２，１９９７
【非特許文献２】“Ｄｉｒｅｃｔ  ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｂａｒｒｉｅｒ  ａｓｙｍｍｅｔｒｙ  ｉｎ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ”，Ｐ．Ｈ．Ｐ．Ｋｏｌｌｅｒ，ｅｔ  ａｌ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８４，ｐ．４９２９−４９３１，２００４
【非特許文献３】Ｃ−７１００  ＭＲＡＭ／ＨＥＡＤ  Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｃａｔａｌｏｇｕｅ，ＡＮＥＬＶＡ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【非特許文献４】ＭＡＧＥＳＴ  Ｓ２００  Ｃａｔａｌｏｇｕｅ，ＵＬＶＡＣ  Ｉｎｃ．
【特許文献１】再公表００／６５６１４号
【特許文献２】特開２００２−３１４１６６号
【特許文献３】特開２００３−２５８３３５号
【特許文献４】特開２００４−１１９９０３号
【特許文献５】特開２００１−８４５３２号
【特許文献６】特開２００３−３２４２２５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
ＴＭＲ素子をデバイスとして用いるには、十分な信号強度を得るために高いＭＲ比が必要である。更に、ＴＭＲ素子をＭＲＡＭとして用いるには、交換結合磁場Ｈｅｘ及びカップリング磁場Ｈｕａを高くする技術が求められる。
【００２１】
本発明の目的は、ＭＲ比をより高くすることが可能な磁気抵抗効果素子、及び磁気抵抗効果素子の製造方法を提供することにある。
【００２２】
本発明の他の目的は、交換結合磁場Ｈｅｘ及びカップリング磁場Ｈｕａを高くすることが可能な磁気抵抗効果素子、及び磁気抵抗効果素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００２４】
上記課題を解決するために、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、（ａ）基板（２）の上方にバッファー層（３）を成膜する工程と、（ｂ）バッファー層（３）上に反強磁性層（４）を成膜する工程と、（ｃ）反強磁性層（４）上に固定層（５）を成膜する工程と、（ｄ）固定層（５）上にトンネルバリヤ層（６）に用いる金属膜（９）を形成し、金属膜（９）を酸化してトンネルバリヤ層（６）を形成する工程と、（ｅ）トンネルバリヤ層（６）上にフリー層（７）を成膜する工程とを具備する。固定層（５）における第１成膜前酸素分圧及びフリー層（７）における第２成膜前酸素分圧の少なくとも一方は、バッファー層（３）の第３成膜前酸素分圧よりも低い。
【００２５】
上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、その第１成膜前酸素分圧及びその第２成膜前酸素分圧の少なくとも一方は、圧力範囲が０．２×１０−６Ｐａ以上０．２×１０−５Ｐａ以下であり、その第３成膜前酸素分圧は、圧力範囲が０より大きく１．６×１０−７Ｐａ以下である。
【００２６】
上記課題を解決するために、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、（ａ）基板（２）の上方にバッファー層（３）を成膜する工程と、（ｂ）バッファー層（３）上に反強磁性層（４）を成膜する工程と、（ｃ）反強磁性層（４）上に固定層（５）を成膜する工程と、（ｄ）固定層（５）上にトンネルバリヤ層（６）に用いる金属膜（９）を形成し、金属膜（９）を酸化してトンネルバリヤ層（６）を形成する工程と、（ｅ）トンネルバリヤ層（６）上にフリー層（７）を成膜する工程とを具備する。固定層（５）における第１成膜前酸素分圧及びフリー層（７）における第２成膜前酸素分圧の少なくとも一方は、金属膜（９）の第４成膜前酸素分圧よりも低い。
【００２７】
上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、その第１成膜前酸素分圧及びその第２成膜前酸素分圧の少なくとも一方は、圧力範囲が０．２×１０−６Ｐａ以上０．２×１０−５Ｐａ以下であり、その第３成膜前酸素分圧は、圧力範囲が０より大きく１．６×１０−６Ｐａ以下である。
【００２８】
上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、（ａ）工程から（ｅ）工程における上記基板は大気中に曝露されない。
【００２９】
上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、（ａ）工程から（ｅ）工程における成膜は、スパッタリング法により行われる。
【００３０】
上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、（ｂ）工程は、（ｂ１）バッファー層（３）上にＭｎを含む合金を成膜する工程を備える。
【００３１】
上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、（ｃ）工程は、（ｃ１）反強磁性層（４）上にＦｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちのいずれかを含む磁性単金属膜若しくは磁性合金膜を成膜する工程、又は、（ｃ２）Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちのいずれかを含む磁性単金属膜若しくは磁性合金膜／非磁性膜／Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちのいずれかを含む磁性単金属膜若しくは磁性合金膜の三層構造を成膜する工程、のいずれかを備える。
【００３２】
上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、（ｄ）工程は、（ｄ１）固定層（５）上にＡｌ膜を形成し、そのＡｌ膜を酸化して酸化アルミニウム膜を形成する工程を備える。
【００３３】
上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、（ｅ）工程は、（ｅ１）トンネルバリヤ層（６）上にＦｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちのいずれかを含む磁性金属膜を成膜する工程を備える。
【００３４】
上記課題を解決するために、本発明のＭＲＡＭの製造方法は、（ｆ）請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法を実行して、基板としての半導体基板上に行列状に配列された複数の磁気抵抗効果素子を形成する工程と、（ｇ）その半導体基板上に周辺回路を形成する工程とを具備する。
【００３５】
上記課題を解決するために、本発明の磁気ヘッドの製造方法は、（ｈ）請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法を実行して、磁気抵抗効果素子を形成する工程と、（ｉ）その磁気抵抗効果素子を磁気ヘッド本体に搭載する工程とを具備する。
【００３６】
上記課題を解決するために、本発明の磁気センサの製造方法は、（ｊ）請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法を実行して、磁気抵抗効果素子を形成する工程と、（ｋ）その磁気抵抗効果素子を磁気センサ本体に搭載する工程とを具備する。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くし、交換結合磁場Ｈｅｘ及びカップリング磁場Ｈｕａを高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の磁気抵抗効果素子、及び磁気抵抗効果素子の製造方法の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
【００３９】
まず、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の構成について説明する。図２は、本発明の磁気抵抗効果素子としてのＴＭＲ素子の実施の形態の構成を示す断面図である。ＴＭＲ素子１は、基板２、バッファー層３、反強磁性体層４、固定層５、トンネルバリア層６、フリー層７、キャップ層８を具備する。
【００４０】
基板２は、その表面に熱酸化シリコン膜を有する基板である。バッファー層３は、第１バッファー層１２及び第２バッファー層１３を備える。第１バッファー層１２及び第２バッファー層１３は、ここではＴａ膜（膜厚２０ｎｍ）、Ｎｉ８０Ｆｅ２０膜（膜厚１ｎｍ）をそれぞれ用いている。反強磁性体層４は、ここでは、Ｐｔ５０Ｍｎ５０膜（膜厚２０ｎｍ）を用いている。固定層５は、積層フェリ構造を有し、第１磁性層１５、非磁性層１６及び第２磁性層１７を備える。第１磁性層１５、非磁性層１６及び第２磁性層１７は、ここではＣｏ９０Ｆｅ１０膜（膜厚２．５ｎｍ）、Ｒｕ膜（膜厚０．９ｎｍ）、及びＣｏ９０Ｆｅ１０膜（膜厚２．５ｎｍ）をそれぞれ用いている。トンネルバリア層６は、ここではＡｌ膜（膜厚０．８２ｎｍ）を成膜した後にプラズマ酸化法により酸化したＡｌＯｘ膜を用いている。フリー層７は、ここではＮｉ８０Ｆｅ２０膜（膜厚４ｎｍ）を用いている。キャップ層８は、ここではＴａ膜（膜厚５０ｎｍ）を用いている。
【００４１】
図３は、ＴＭＲ素子を製造する成膜装置の例を示す構成図である。
図３（ａ）は、１チャンバー内に１ターゲットを持つ成膜装置である。６室の成膜室２３と１室の酸化室２２を持つ。基板導入室２５から導入された基板は、搬送室２４経由で各成膜室２３へ導入される。成膜室２３はそれぞれバルブを介してスパッタ用Ａｒガスを導入できるようになっている。成膜室２３ａには特にスローリークポート２７を設置し、酸素や乾燥大気のような酸素を含むガス２１を、圧力制御を行いながら導入できるようになっている。このスローリークポート２７を介してガス２１を導入して、成膜前の酸素分圧を変更（調整）することができる。スローリークポート２７は、他の成膜室２３にも設置可能である。
【００４２】
図３（ｂ）は、１チャンバー内に多数のターゲットを持つ成膜装置である。１室の成膜室２３と１室の酸化室２２を持つ。基板導入室２５から導入された基板は、成膜室２３における所定の成膜用ターゲット２６のいずれかに対向する位置に導入される。成膜室２３はバルブを介してスパッタ用Ａｒガスを導入できるようになっている。成膜室２３は、スローリークポート２７を有し、酸素や乾燥大気のような酸素を含むガス２１を、圧力制御を行いながら導入できるようになっている。このスローリークポート２７を介してガス２１を導入して、成膜前の酸素分圧を変更（調整）することができる。
【００４３】
ＴＭＲ素子１の各層の成膜、及び酸化によるトンネルバリア層６の形成は上記の図３（ａ）又は図３（ｂ）の成膜装置を用いて製造することができる。この場合、各層の成膜及び酸化によるトンネルバリア層６の形成を大気に曝すことなく連続的に行うことができる。
【００４４】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子としてのＴＭＲ素子の製造方法の実施の形態について説明する。
図４は、本発明の磁気抵抗効果素子としてのＴＭＲ素子の製造方法の実施の形態を示す断面図である。図４（ａ）を参照して、乾燥大気（酸素分圧２０％）を導入した状態から真空引きを行い、成膜室２３を所定の成膜前真空度とする。それにより所定の成膜前酸素分圧となる。ここで、成膜前真空度とは、成膜ガス（ここではＡｒガス）を導入する直前の成膜室２３の真空度（到達圧力）である。成膜前酸素分圧とは、その成膜前真空度の圧力中の酸素分圧である。その後、成膜室２３にＡｒガスを導入し、基板２上に第１バッファー層１２としてのＴａ膜をスパッタ法で成膜する。膜厚は２０ｎｍである。続いて、第１バッファー層１２上に第２バッファー層１３としてのＮｉ８０Ｆｅ２０膜をスパッタ法で成膜する。膜厚は１ｎｍである。
【００４５】
図４（ｂ）を参照して、成膜室２３を所定の成膜前真空度とする。それにより所定の成膜前酸素分圧となる。その後、成膜室２３にＡｒガスを導入し、第２バッファー層１３上に反強磁性体層４としてのＰｔ５０Ｍｎ５０膜をスパッタ法で成膜する。膜厚は２０ｎｍである。
【００４６】
図４（ｃ）を参照して、成膜室２３を所定の成膜前真空度とする。それにより所定の成膜前酸素分圧となる。その後、成膜室２３にＡｒガスを導入し、反強磁性体層４上に固定層５の第１磁性層１５としてのＣｏ９０Ｆｅ１０膜、非磁性層１６としてのＲｕ膜、及び第２磁性層１７としてのＣｏ９０Ｆｅ１０膜の積層フェリ構造をスパッタ法で成膜する。膜厚は、それぞれ２．５ｎｍ、０．９ｎｍ、及び膜厚２．５ｎｍである。ただし、固定層５としてＣｏ９０Ｆｅ１０膜のような単層膜を用いても良い。
【００４７】
図４（ｄ）を参照して、成膜室２３を所定の成膜前真空度とする。それにより所定の成膜前酸素分圧となる。その後、成膜室２３にＡｒガスを導入し、固定層５上にＡｌ膜９をスパッタ法で成膜する。膜厚は０．８２ｎｍである。続いて、このＡｌ膜９を所定の時間、酸素プラズマに曝すプラズマ酸化法により酸化する。これにより、トンネルバリア層６としてのＡｌＯｘ膜が形成される。
【００４８】
図４（ｅ）を参照して、成膜室２３を所定の成膜前真空度とする。それにより所定の成膜前酸素分圧となる。この場合、例えば、一度、成膜室２３（２３ａ）の真空度を相対的に高い真空度（低目の圧力）とした後、スローリークポート２７からガス２１（乾燥大気）を導入し、成膜前真空度を相対的に低い真空度（高目の圧力）とする。その後、成膜室２３にＡｒガスを導入し、トンネルバリア層６上にフリー層７としてのＮｉ８０Ｆｅ２０膜をスパッタ法で成膜する。膜厚は４ｎｍである。続いて、フリー層７上にキャップ層８としてのＴａ膜をスパッタ法で成膜する。膜厚は５０ｎｍである。
【００４９】
以上のようにして、ＴＭＲ素子１を製造する。
【００５０】
ここで、上記の製造方法における製造条件について説明する。
図５は、フリー層７の成膜前真空度とＭＲ特性との関係を示すグラフである。左側の縦軸はＭＲ比を示し、右側の縦軸は規格化接合抵抗を示し、横軸はＡｌ膜９のプラズマによる酸化時間を示す。ここで、成膜前真空度とは、成膜ガスを導入する前の成膜室の真空度（到達真空度）である。フリー層７を除く各層に関する成膜前真空度を２〜５×１０−７Ｐａとし、フリー層７の成膜前真空度を２×１０−６Ｐａと４×１０−７ＰａとしてＭＲ比及び規格化接合抵抗を比較した。曲線３２はフリー層７の成膜前真空度が２×１０−６Ｐａの場合のＭＲ比、曲線３１はフリー層７の成膜前真空度が４×１０−７Ｐａの場合のＭＲ比をそれぞれ示す。曲線３４はフリー層７の成膜前真空度が２×１０−６Ｐａの場合の規格化接合抵抗、曲線３３はフリー層７の成膜前真空度が４×１０−７Ｐａの場合の規格化接合抵抗をそれぞれ示す。Ａｌ膜９の酸化条件は出力を３００Ｗと固定し、酸化時間を４、６、８秒と変えた。その結果、いずれの酸化時間の場合においても、２×１０−６ＰａのＭＲ比（曲線３２）が、４×１０−７ＰａのＭＲ比（曲線３１）に比較して１〜２．５％高かった。この実験はベースの雰囲気として乾燥大気を用いていることから、上記成膜前真空度における酸素分圧は、上記数値の約２０％となる。
【００５１】
図６は、フリー層７の成膜前真空度とＭＲ特性の関係を説明するた概略図である。図６（ａ）は、成膜前真空度（バックグラウンドの真空度）が４×１０−７Ｐａと高い（到達圧力が低い）ときを示す。図６（ｂ）は、成膜前真空度（バックグラウンドの真空度）が２×１０−６Ｐａと低い（到達圧力が高い）ときを示す。ただし、ここでは反強磁性体層４としてＰｔＭｎ膜４ａ、固定層５としてＣｏＦｅ膜５ａ、トンネルバリア層６としてＡｌ２Ｏ３膜６ａ、フリー層７としてＮｉＦｅ膜７ａを用いている。
【００５２】
図６（ａ）を参照して、フリー層７における成膜前真空度が４×１０−７Ｐａと高い場合、ＮｉＦｅ膜７ａ／Ａｌ２Ｏ３膜６ａ界面では一部の酸素がＮｉＦｅ膜７ａに抜けてしまい、その界面の酸素が不足し、一部はＡｌ膜９ａになってしまう。このような界面の劣化により、ＭＲ比が低下すると考えられる。一方、図６（ｂ）を参照して、成膜前真空度が２×１０−６Ｐａと低い場合、ＮｉＦｅ膜７ａの成膜時にＮｉＦｅ膜７ａ中に含まれていた酸素やＮｉＦｅ膜７ａ／Ａｌ２Ｏ３膜６ａ界面に吸着した酸素が、その界面のＡｌを過不足無く酸化させる。その結果、その界面でもトンネルバリア層６ａの膜質は高なり、高いＭＲ比を得ることができる。この実験はベースの雰囲気として乾燥大気を用いていることから、上記成膜前真空度における酸素分圧は、上記数値の約２０％となる。
【００５３】
以上のように、図５で示すような高いＭＲ比が得られるフリー層７の成膜前真空度を示す到達圧力は、実験結果から、１×１０−６Ｐａ以上１×１０−５Ｐａ以下であった。酸素分圧では、０．２×１０−６Ｐａ以上０．２×１０−５Ｐａ以下である。１×１０−６Ｐａ以下の到達圧力の場合、上述のとおり界面が劣化してしまう。１×１０−５Ｐａ以上の到達圧力の場合、ＮｉＦｅ膜７ａ中の酸素が増え、ＮｉＦｅ膜７ａの分極率が低下しＭＲ比は下がってしまう。
【００５４】
図５及び図６では、フリー層７の成膜前真空度について説明している。しかし、固定層５の成膜前真空度についても同様の効果があることが判明した。すなわち、固定層５としてのＣｏＦｅ膜５ａを除く各層（４ａ、９、７ａ）に関する成膜前真空度を２〜５×１０−７Ｐａとし、トンネルバリア層６のＡｌ２Ｏ３膜６ａの直下にあるＣｏＦｅ層５ａの成膜前真空度を変えて同様の実験を行ったところ、ＣｏＦｅ膜５ａの成膜前真空度を示す到達圧力が１×１０−６Ｐａ以上１×１０−５Ｐａ以下で図５の場合と同様の高いＭＲ比が得られた。この実験の場合もベースの雰囲気として乾燥大気を用いていることから、上記成膜前真空度における酸素分圧は上記数値の約２０％であり、０．２×１０−６Ｐａ以上０．２×１０−５Ｐａ以下である。
【００５５】
加えて、ＣｏＦｅ膜５ａ及びＮｉＦｅ膜７ａの両方の成膜前真空度を示す到達圧力が１×１０−６Ｐａ以上１×１０−５Ｐａ以下の場合でも、図５の場合と同様の高いＭＲ比が得られた。また、フリー層７及び固定層５として従来用いられている他の物質についても同様の傾向があることが分かった。以上のことから、フリー層７及び固定層５のうちの少なくとも一方の成膜前真空度を示す到達圧力は、１×１０−６Ｐａ以上１×１０−５Ｐａ以下の範囲にあることが好ましい。酸素分圧では、０．２×１０−６Ｐａ以上０．２×１０−５Ｐａ以下である。上記の成膜前真空度に関する条件は、他のスパッタ条件に関わらず概ね同様であった。
【００５６】
図７は、第２バッファー層１３の成膜前真空度を変更した場合のＲ−Ｈ曲線を示すグラフである。縦軸は磁気抵抗の最大値で規格化された磁気抵抗を示し、横軸は印加する磁場を示している。第２バッファー層１３を除く各層の成膜前真空度を２〜５×１０−７Ｐａとし、第２バッファー層１３の成膜前真空度を２×１０−６Ｐａと４×１０−７Ｐａと変えてＲ−Ｈ曲線を測定し、カップリング磁場Ｈｕａを比較した結果を示す。曲線５１は、第２バッファー層１３の成膜前真空度が４×１０−７Ｐａの場合のＲ−Ｈ曲線を示し、曲線５２は、第２バッファー層１３の成膜前真空度が２×１０−６Ｐａの場合のＲ−Ｈ曲線を示す。ただし、ここでは固定層５としては積層フェリ構造（１５〜１７）を用いている。
【００５７】
図７に示されるように、曲線５１の場合のカップリング磁場Ｈｕａが曲線５２の場合よりも明らかに大きいことがわかる。第２バッファー層１３の成膜前真空度４×１０−７Ｐａの場合（曲線５１）のカップリング磁場Ｈｕａは１３７０Ｏｅ、２×１０−６Ｐａの場合（曲線５２）のカップリング磁場Ｈｕａは１２６０Ｏｅだった。図では第２バッファー層１３（ＮｉＦｅ膜）に関してのみ示したが、第１バッファー層１２（Ｔａ膜）の成膜前真空度を変えた実験でも同様の結果が得られた。加えて、バッファー層３として従来用いられている他の物質についても同様の傾向があることが分かった。この実験結果は、固定層５に積層フェリ構造（１５〜１７）を用いたものであるが、固定層５としてＣｏＦｅ単層膜を用いた場合でも成膜前真空度が悪い場合、交換結合磁場Ｈｅｘが小さくなった。
【００５８】
この成膜前真空度によるカップリング磁場Ｈｕａ等の違いは、反強磁性体層４としてのＰｔＭｎ膜の結晶性の違いにより生じる。第１バッファー層１２（Ｔａ膜）や第２バッファー層１３（ＮｉＦｅ膜）の成膜前酸素分圧が悪い場合、酸素等の不純物のためにＮｉＦｅ膜／Ｔａ膜の結晶格子が乱れて結晶性が悪化する。その結果、その上部に成膜されるＰｔＭｎ膜の結晶格子も乱れてその結晶性が悪化し、十分な交換結合磁化がかからない、あるいは積層フェリ固定層の配向性にまで影響を及ぼして十分な積層フェリ交換結合磁化がかからない。上述した高いカップリング磁場Ｈｕａないし交換結合磁場Ｈｅｘは、バッファー層３の成膜前真空度を示す到達圧力が８×１０−７Ｐａ以下で得られた。この実験はベースの雰囲気として乾燥大気を用いていることから、上記成膜前真空度における酸素分圧は、上記数値の約２０％となる。
【００５９】
以上のように、バッファー層３の成膜前真空度を示す到達圧力は、８×１０−７Ｐａ以下のできるだけ小さい圧力であることが好ましい。すなわち、０より大きく８×１０−７Ｐａ以下であることが好ましい。酸素分圧では、０より大きく１．６×１０−７Ｐａ以下である。上記の成膜前真空度に関する条件は、他のスパッタ条件に関わらず概ね同様であった。
【００６０】
図８は、Ａｌ膜の膜厚依存性とＭＲ比との関係を示すグラフである。縦軸はＭＲ比を示し、横軸はトンネルバリア層となるＡｌ膜の膜厚を示す。測定点群６１はＡｌ膜の成膜前真空度が３．３〜５．１×１０−６Ｐａの場合であり、測定点群６２はＡｌ膜の成膜前真空度が０．９７〜１．２×１０−５Ｐａで成膜した場合である。
【００６１】
Ａｌ膜の成膜前真空度の変更は、スローリークポート２７から乾燥大気を成膜室２３に適宜スローリークして行った。酸化はプラズマ酸化、出力３００Ｗ、酸化時間６秒で行った。Ａｌ膜厚に応じてＭＲ比は変化するが、３．３〜５．１×１０−６Ｐａの方が０．９７〜１．２×１０−５Ｐａよりも明らかにＭＲ比が高い傾向を示した。このような結果となった理由として、成膜前真空度低い（到達圧力が高い）と、Ａｌ膜を成膜する時に成膜室２３内に残った酸素・水によって酸化の前にＡｌ膜が酸化されてしまうことが考えられる。この酸化は後のプラズマ酸化によるクリーンな酸化とは異なり、酸化後のＡｌ２Ｏ３の構造の欠陥が多い。そのため、トンネル電流のリークが増える、部分的にバリアハイトが下がる、というような現象が起きる。結果として、ＭＲ比が減少してしまうことが考えられる。他の実験結果から、トンネルバリア層６のＡｌ膜の成膜前真空度を示す到達圧力が８×１０−６Ｐａ以下の場合、十分に高いＭＲ比がで得られることが判明した。この実験はベースの雰囲気として乾燥大気を用いていることから、上記成膜前真空度における酸素分圧は、上記数値の約２０％となる。
【００６２】
以上のように、トンネルバリア層６のＡｌ膜の成膜前真空度を示す到達圧力は、８×１０−６Ｐａ以下のできるだけ小さい圧力であることが好ましい。すなわち、０より大きく８×１０−６Ｐａ以下であることが好ましい。酸素分圧では、０より大きく１．６×１０−６Ｐａ以下である。上記の成膜前真空度に関する条件は、他のスパッタ条件に関わらず概ね同様であった。
【００６３】
なお、上述の実験では酸素ガス、乾燥大気の導入について記したが、酸素＋窒素、酸素＋アルゴンなどの混合ガスにおいても同様の効果が得られた。
【００６４】
上記のようにして最良の条件で製造されたＴＭＲ素子１は、バイアス電圧１００ｍＶにおけるＭＲ比３４％、カップリング磁場Ｈｕａ：１３６７ＯｅとＭＲＡＭ等に実用可能な良好な値が得られた。
【００６５】
本発明において、固定層及びフリー層のうちの少なくとも一方の成膜前真空度を、トンネルバリヤ層の金属膜やバッファー層の成膜前真空度よりも低真空（相対的に高い圧力）とすることにより、高いＭＲ比を持ち、交換結合磁場Ｈｅｘやカップリング磁場Ｈｕａの高いＴＭＲ素子を得ることができる。
【００６６】
本発明において、バッファー層の成膜前真空度を８×１０−７Ｐａよりも高い真空度（酸素分圧：０より大きく１．６×１０−７Ｐａ以下）、固定層及びフリー層のうち少なくとも一方の成膜前真空度を１×１０−６Ｐａ以上１×１０−５Ｐａ以下（酸素分圧：０．２×１０−６Ｐａ以上０．２×１０−５Ｐａ以下）とすることにより、高いＭＲ比を持ち、交換結合磁場Ｈｅｘやカップリング磁場Ｈｕａの高いＴＭＲ素子を得ることができる。
【００６７】
本発明において、トンネルバリア層に用いる金属膜の成膜前真空度を８×１０−６Ｐａより高い真空度（酸素分圧：０より大きく１．６×１０−６Ｐａ以下）とすることにより、高いＭＲ比を持ち、交換結合磁場Ｈｅｘやカップリング磁場Ｈｕａの高いＴＭＲ素子を得ることことができる。
【００６８】
本発明により得られるＴＭＲ素子を用いて、ＭＲＡＭ、磁気ヘッド、磁気センサーを得ることができる。
【００６９】
本実施例ではキャップ層としてＴａ膜単層のみ示したが、Ｚｒ膜、ＴａＮ膜、Ｔａ膜／Ｒｕ膜、Ｔａ膜／Ａｌ２Ｏ３膜、Ｔａ膜／Ａｌ膜／Ｔａ膜、など他の構造のキャップ層でも同様の結果が得られている。
【００７０】
本実施例ではキャップ層／フリー層／トンネルバリア層／固定層／反強磁性体層／バッファー層／基板という構造のＴＭＲ膜のみ示したが、キャップ層／反強磁性体層／固定層／トンネルバリア層／フリー層／バッファー層／基板という構造のＴＭＲ素子でも同様の効果がある。
【００７１】
本実施例ではバッファー層としてＮｉＦｅ膜／Ｔａ膜のみ示したが、Ｔａ膜、ＮｉＦｅ膜／ＴａＮ膜などの構造のバッファー層でも同様の効果が得られる。
【００７２】
本実施例では反強磁性体層としてＰｔＭｎ膜のみ示したが、ＮｉＭｎ膜やＩｒＭｎ膜のようなＭｎを含む合金など、他の反強磁性体層でも同様の効果が得られる。
【００７３】
本実施例では固定層としてＣｏＦｅ膜／Ｒｕ膜／ＣｏＦｅ膜積層フェリ構造、ＣｏＦｅ膜単層構造についてのみ示した。しかし、ＣｏＦｅＢ膜／Ｒｕ膜／ＣｏＦｅＢ膜のようなＦｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちのいずれかを含む磁性単金属膜若しくは磁性合金膜／非磁性膜／Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちのいずれかを含む磁性単金属膜若しくは磁性合金膜の他の積層フェリ構造、及び、ＣｏＦｅＢ膜のようなＣｏ及びＮｉのうちのいずれかを含む磁性単金属膜若しくは磁性合金膜の他の単層構造についても同様の効果が得られる。
【００７４】
本実施例ではトンネルバリア層としてＡｌ膜のプラズマ酸化のみ示したが、ラジカル酸化など他の酸化手法、あるいはＭｇ酸化膜など他の酸化物膜においても同様の効果が得られる。
【００７５】
本実施例ではフリー層としてＮｉＦｅ膜のみ示した。しかし、フリー層をＮｉＦｅＣｏ膜、ＣｏＦｅＢ膜のようなＦｅ、Ｃｏ及びＮｉのうちのいずれかを含む磁性金属膜にしても同様の効果が得られる。
【００７６】
本実施例ではスローリークポートから酸素ガス、酸素＋窒素などの混合ガス、乾燥大気を導入する手法のみを示したが、水蒸気でも同様の効果が得られる。また、マスフローなどを介してガスを導入した場合でも同様の効果が得られる。
【００７７】
本発明の磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）は、ＭＲＡＭのメモリセルに適用することができる。ＭＲＡＭの製造方法としては、例えば次のようになる。基板としての半導体基板上に、上述の複数の磁気抵抗効果素子のを製造する。その際、その複数の磁気抵抗効果素子は、複数のメモリセルとして半導体基板上に行列状に配列される。次に、半導体基板上に周辺回路を形成する。
【００７８】
本発明の磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）は、磁気記録装置の磁気ヘッドに適用することができる。磁気ヘッドの製造方法としては、例えば次のようになる。上述の磁気抵抗効果素子の製造方法を実行して、磁気抵抗効果素子を形成する。次に、その磁気抵抗効果素子を磁気ヘッド本体に搭載する。
【００７９】
本発明の磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）は、磁気センサに適用することができる。磁気センサの製造方法としては、例えば次のようになる。上述の磁気抵抗効果素子の製造方法を実行して、磁気抵抗効果素子を形成する。次に、その磁気抵抗効果素子を磁気センサ本体に搭載する。
【００８０】
以上のように、磁気抵抗効果素子をＭＲＡＭ、磁気ヘッド、及び磁気センサに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１は、従来のＴＭＲ素子の構造の一例を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の磁気抵抗効果素子としてのＴＭＲ素子の実施の形態の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、ＴＭＲ素子を製造する成膜装置の例を示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の磁気抵抗効果素子としてのＴＭＲ素子の製造方法の実施の形態を示す断面図である。
【図５】図５は、フリー層７の成膜前真空度とＭＲ特性との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、フリー層７の成膜前真空度とＭＲ特性の関係を説明するた概略図である。
【図７】図７は、第２バッファー層１３の成膜前真空度を変更した場合のＲ−Ｈ曲線を示すグラフである。
【図８】図８は、Ａｌ膜の膜厚依存性とＭＲ比との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８２】
１、１０１    ＴＭＲ素子
２、１０２    基板
３、１０３    バッファー層
４、１０４    反強磁性体層
５、１０５    固定層
６、１０６    トンネルバリア層
７、１０７    フリー層
８、１０８    キャップ層
９    Ａｌ膜
１２    第１バッファー層
１３    第２バッファー層
１５    第１磁性層
１６    非磁性層
１７    第２磁性層
２１    ガス
２２    酸化室
２３、２３ａ    成膜室
２４    搬送室
２５    基板導入室
２７    スローリークポート
【図１】
2006245146.tif 000003
【図２】
2006245146.tif 000004
【図３】
2006245146.tif 000005
【図４】
2006245146.tif 000006
【図５】
2006245146.tif 000007
【図６】
2006245146.tif 000008
【図７】
2006245146.tif 000009
【図８】
2006245146.tif 000010